JWST Ağır Kara Delik Tohumlarının Oluştuğu Yeri Bulmuş Olabilir

Astrofizikçiler, modern Evren’de gördüğümüz süperkütleli deliklerin (SMBH) uzun soluklu bir sürecin ürünü olduğunu düşünüyor. Bu sürece hiyerarşik delik birleşmeleri çerçevesi deniyor. Bu çerçeve, bazı SMBH’lerin nasıl bu denli çarpıcı kütlelere ulaşabildiğini açıklıyor. En kütveli olanların bazıları milyarlarca güneş kütlesine sahip görünüyor.

Fikir, bu SMBH’lerin tohumlardan başladığı ve bu tohumların da yıldız kütveli delikler olduğu yönünde. Onları iki süreç oluşturur. Biri, yaklaşık 8 ile 50 güneş kütlesi arasındaki kütveli yıldızların füzyon yaşantılarının sonuna gelmesidir. Süpernova olarak patlar ve çekirdekleri çökerek delikler oluşturur ya da doğrudan deliklere çöker. İkincisi ise iki nötron yıldızının birleşmesidir.

Yıldız kütveli deliklerle SMBH arasında ara kütveli delikler (IMBH) yer alır. Bu delikler yaklaşık 100 güneş kütlesinden 100.000 güneş kütlesine kadar bir kütle yelpazesine sahiptir. IMBH’ler için gözlemsel kanıtlar hâlâ zayıf olsa da, tutarlıdır.

2024 yılında yayımlanan bir çalışma, Samanyolu’nun dış kenarlarında yer alan küresel yıldız kümesi Omega Centauri’yi bir IMBH’nin kaynağı olarak ele aldı. Omega Centauri’nin merkezindeki hızlı hareket eden yıldız grubunun varlığı, yalnızca yaklaşık 8.200 güneş kütlesine sahip bir IMBH’nin varlığı ile açıklanabilir; çalışmaya göre.

Bir delik birleşmesinden gelen yerçekimi dalgaları da bir IMBH için kanıt niteliğindedir. 2020 yılında yayımlanan bir çalışma, dalgalar 85 ve 66 güneş kütlesine sahip iki deliğin birleşerek yaklaşık 142 güneş kütlesine sahip bir IMBH oluşturduğunu gösterdiğinde, bir IMBH için yalnızca doğrudan kanıtı sundu.

Ama bu IMBH’lerin doğum yerleri nelerdir? Bazıları, bugün gördüğümüz SMBH’ler için tohum işlevi görmesi erken Evren’de oluşmuş olmalıdır.

“Massive star clusters detected by JWST as natural birth places to form intermediate-mass black holes” başlıklı araştırma, bu cevabı bulmuş olabilir. Astronomy and Astrophysics dergisinde yayımlanan çalışmanın baş yazarı Sapienza Roma Üniversitesi’nden Viola Bocchi’dir.

“James Webb Uzay Teleskopu (JWST), yüksek kırmızı kayma değerlerinde yoğun yıldız sistemlerinden oluşan bir nüfus ortaya çıkardı; bunlar arasında ‘Cosmic Gems’ yayı (z ∼ 10.2) ve ‘Firefly Sparkle’ (z ∼ 8.3) yer alıyor. Kütleleri 10⁵ M⊙–10⁷ M⊙ aralığında, kütle yarıçapları ise ∼0.4–15 pc aralığında olan bu sistemler, çarpışma temelli modeller aracılığıyla ara küteli kara deliklerin (IMBH) oluşumu için ideal koşullara sahip,” yazarlar yazıyor.

Cosmic Gems yayı, yerçekimsel mercek etkisiyle görüntülenmiş bir galaksidir ve JWST, ışığını Evren’in yalnızca yaklaşık 460 milyon yaşında iken gözlemiş. JWST burada yoğun yıldız kümelemesinden beş tanesini tespit etmiş.

Cosmic Gems ilk olarak Hubble tarafından Reionization Lensing Cluster Survey (RELICS) kapsamında keşfedilmiş ve Reionization Dönemi’nde güçlü bir radyasyon kaynağı olarak belirlenmişti. 2024 yılında JWST konuya tekrar bakmış ve bu eski kümelemelerin ilk keşfi olan beş Genç Kütleli Kümelemeyi (YMC) bulmuş.

Firefly Sparkle, Büyük Patlama’dan yaklaşık 600 milyon sonra görüntülenmiş başka bir yerçekimsel mercek etkisiyle gözlemlenen erken galaksidir. JWST, Firefly Sparkle içinde 10 YMC tespit etmiş.

Bu görüntü, JWST’nin 10 YMC tespit ettiği Firefly Sparkle galaksisini gösteriyor. Aynı zamanda bir çift de eş galaksiyi içeriyor. Görüntü Kredisi: NASA, ESA, CSA, STScI, Chris Willott (National Research Council Canada), Lamiya Mowla (Wellesley College), Kartheik Iyer (Columbia University)

Bu araştırma, tüm bu YMC’lerin yalnızca iyonlaştırıcı radyasyon kaynağı olmakla kalmadığını, aynı zamanda ara küteli kara deliklerin (IMBH) doğum yeri olmuş olabileceğini gösteriyor.

Bu YMC’lerdeki yoğunluktan dolayı n-cisim simülasyonları uygulanabilir değildi. Bunun yerine araştırmacılar, ortaya çıkan IMBH kütlelerini tahmin etmek için yıldız rüzgarlarıyla kütle kaybına dayalı kaçış çarpışmaları temelli bir model kullanmış. Ardından bu sonuçları, yoğun yıldız kümelemelerinin doğrudan N-cisim simülasyonlarıyla doğrulamış.

“Kütleleri 10⁵ M⊙–10⁷ M⊙ aralığında ve kütle yarıçapları ∼0,4–15 pc aralığında olan bu sistemler, çarpışma temelli modeller aracılığıyla ara kütley kara deliklerin (IMBH) oluşumu için ideal biçimde uygunlardır,” diyorum yazarlar. “Yaklaşımımız, tipik IMBH kütlelerinin ∼10² M⊙ ile ∼4 × 10³ M⊙ aralığında olduğunu gösteriyor; bu da tipik oluşum verimliliğinin birkaç yüzde seviyesinde olduğunu ima ediyor.”

Cosmic Gems kümeleri, en ağır IMBH’yi üretti; kütleleri 1600–2700 M⊙ aralığında. “Cosmic Gems kümelerinin aşırı yoğunluğu (Rh ∼ 1 pc), 1600–2700 M⊙ gibi yüksek kütley kara delik tohumlarının oluşumunu kolaylaştırıyor,” diyor yazarlar. Rh ∼ 1 pc, kümenin toplam kütlesinin yarısını içeren kürenin yarıçapıdır ve bir kümenin ne kadar yoğun olduğunu ölçer.

“Düşük metaliklik (Z ≲ 0,02 Z⊙), yıldız rüzgarlarına rağmen tohum kütlesinin korunması için kritik bir faktördür,” diyor yazarlar.

Bu genç kümeler aynı zamanda düşük metalikliğe sahiptir, çünkü içlerinde daha yüksek metaliklik üretmek için yeterli sayıda yıldız yaşamamış ve ölmüştür. Düşük metaliklik, IMBH oluşumunda kritik bir rol oynadı. Düşük metaliklik, yıldız rüzgarlarına bağlı kütle kaybını sınırlar ve bu da nesnelerin büyümeye devam etmesini sağlar.

Firefly Sparkle’dan gelen sonuçlar farklıdır. “Cosmic Gems’in aksine, bu kümeler tipik olarak daha düşük toplam kütleler (10⁵ − 10⁶ M⊙) için belirgin derecede daha büyük yarıçaplar (Rh ∼ 4 − 6 pc) sergiliyor,” diyor yazarlar. Bu, kütlesi daha düşük çekirdekler oluşturur ve bu da koşullu çarpışma sürecinin IMBH oluşturma potansiyelini sınırlar. Firefly Sparkle’daki kara delik kütleleri 1,8 × 10² − 8,1 × 10² M⊙ aralığında. Bu, yaklaşık 180 ile 810 M⊙ arasındadır ve IMBH kütleleri için alt sınırı temsil eder.

Bu sanatçı illüstrasyonu, Firefly Sparkle galaksisinin yerçekimsel mercek etkisiyle gerilip bozulmamış haliyle Büyük Patlama’dan yaklaşık 600 milyon yıl sonra nasıl göründüğünü gösteriyor. Bu illüstrasyon, NASA’ın James Webb Uzay Teleskopu’ndan gelen görüntüler ve verilere dayanıyor. Görsel Kaynağı: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI). Bilim: Lamiya Mowla (Wellesley College), Guillaume Desprez (Saint Mary’s University)

Genel olarak, bu çalışmada IMBH kütleleri için verilen alt sıra (~100 güneş kütlesi), evrenin varsayılan ilk yıldızları olan ve muhtemelen son derece kütikli olan devasa Population III yıldızlarından oluşan kara deliklerle karşılaştırılabilir. Ancak yazarlar, “üst sınır önemli ölçüde daha yükseğe uzanıyor ve en kütikli kümelerin nesneleri kesinlikle ‘ağır tohum’ rejiminde üretmesine olanak tanıyor” diyor. “Böyle ağır tohumların oluşumu, yüksek kırmızı kaymalı SMBH’lerin oluşumu için son derece yararlıdır.”

Bu sonuçlar gözlemsel anlamında değil; JWST herhangi bir IMBH gözlemedi. Ancak IMBH’lerin oluşabileceği ve bizim gibi galaksilerin merkezlerinde gördüğümüz SMBH’lere potansiyel olarak yol açabileceği makul bir ortamı gösteriyorlar.

Bu sonuçlar aynı zamanda JWST’nin Little Red Dots (Küçük Kırmızı Noktalar)’ını da açıklayabilir. Spektrumları sık sık SMBH’ler tarafından besleniyormuş gibi yorumlanır. “Sonuçlarımız, yoğun kütikli yıldız kümelerinin, LRD’lerdeki SMBH’lerin büyümüş olabileceği olası kütikli tohumları sağlayabileceğini öne sürüyor” araştırmacılar yazıyor.

Araştırmacılar, çalışmalarındaki bazı kabul edilen zayıflıklara dayanarak bazı uyarılar belirtiyor. Bu kümelerin birçok özelliği bilinmiyor; döndürme ve iç yapıları dahil olmak üzere, bunlar sonuçları değiştirebilir ve IMBH kütlelerini düşürebilir.

İlk kütle fonksiyonu da bilinmiyor, ancak top-heavy (üst kısım ağırlıklı) olabilir. “Bu olasılık, olası bir ilkel kütle ayrışmasıyla birleşince, kütikli IMBH’lerin oluşumunu destekler; ancak biz bunu burada ayrıntılı olarak incelemedik” yazarlar açıklıyor.

Araştırmacılar şüphe yok ki bu genç kütikli kümeleri daha derinlemesine inceleyecek ve geride kalan bazı boşlukları doldurmaya çalışacak. Ancak bu araştırma, bu kümelerin sonunda SMBH’leri oluşturacak olan ağır tohum IMBH’nin kaynağı olabileceğini gösteriyor.

“Sonuçlarımız, bu yoğun ve metal fakir kümelerin, Erken Evren’de gözlemlenen süperkütleli deliklere kadar büyüyebilen ağır tohumlar için geçerli üretim tesisleri olduğunu öne sürüyor,” diye sonuçlandırıyor yazarlar.